微膠囊自防火隧道混凝土襯砌高溫力學(xué)行為研究

混凝土結(jié)構(gòu)在高溫下往往出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能劣化，這對(duì)于地下結(jié)構(gòu)的承載力和可靠性造成了極大的威脅。針對(duì)被動(dòng)式防火方法的不足，本項(xiàng)目提出了基于微膠囊自防火混凝土的主動(dòng)式抗火新方法，通過(guò)在混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層中摻加自防火微膠囊，在不改變結(jié)構(gòu)尺寸、不增加結(jié)構(gòu)額外荷載的條件下，通過(guò)“吸熱 散熱 隔熱”的方式，充分發(fā)揮隧道襯砌結(jié)構(gòu)自身的防火能力，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)熱觸發(fā)下的結(jié)構(gòu)主動(dòng)防火模式。本項(xiàng)目提出了以三聚氰胺、聚磷酸銨和季戊四醇為膨脹型阻燃劑的自防火微膠囊制備方法，結(jié)合高溫下紅外光譜分析等多種材料表征方法，深入地分析了膨脹型阻燃劑在高溫下的發(fā)泡過(guò)程及其產(chǎn)物，對(duì)自防火微膠囊混凝土的作用機(jī)理進(jìn)行了深入的研究；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)混凝土的微觀結(jié)構(gòu)及微觀成份組成，在水泥漿體層次、混凝土層次及混雜纖維混凝土層次等多個(gè)層次上，建立了描述混雜纖維混凝土在高溫下力學(xué)損傷特性的多尺度計(jì)算模型；并通過(guò)數(shù)值模擬方法，在結(jié)構(gòu)尺度探究了混雜纖維混凝土高溫下的力學(xué)特征。 2100433B

火災(zāi)是威脅隧道安全運(yùn)營(yíng)的主要災(zāi)害之一，火災(zāi)高溫會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的損傷和破壞，降低其安全性。針對(duì)現(xiàn)有隧道襯砌防火方法的不足，本項(xiàng)目借鑒微膠囊自修復(fù)思想，并在對(duì)前期開展的微膠囊自修復(fù)混凝土與纖維混凝土研究工作的繼承與發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出了微膠囊自防火隧道混凝土襯砌的新方法。擬借助火災(zāi)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值計(jì)算等手段，深入研究火災(zāi)高溫下微膠囊自防火混凝土襯砌的作用機(jī)理、熱傳導(dǎo)特性、溫度場(chǎng)分布特征與力學(xué)特性，進(jìn)而建立微膠囊自防火混凝土襯砌的控制參數(shù)、溫度場(chǎng)傳播分布、力學(xué)性能退化規(guī)律的定量分析計(jì)算模型與方法；并以此為基礎(chǔ)，最終建立微膠囊自防火隧道混凝土襯砌新方法及其配套的力學(xué)行為計(jì)算理論，以充分發(fā)揮隧道襯砌結(jié)構(gòu)自身的防火能力，實(shí)現(xiàn)防爆裂與隔熱的同步、防火與承載的協(xié)同作用以及火災(zāi)熱觸發(fā)下的自動(dòng)防火，為解決復(fù)雜環(huán)境下地鐵及越江跨海隧道襯砌結(jié)構(gòu)的防火安全問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)和新技術(shù)支撐。

目前隧道襯砌防火側(cè)重于對(duì)結(jié)構(gòu)本身?yè)p傷與力學(xué)行為的研究，而忽視了火災(zāi)高溫引起襯砌外部水土壓力的變化帶來(lái)的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題。事實(shí)說(shuō)明：火災(zāi)高溫下軟土隧道外側(cè)土體力學(xué)行為會(huì)發(fā)生顯著的變化。本研究以軟黏土地層隧道為對(duì)象，通過(guò)大量的火災(zāi)試驗(yàn)，結(jié)合理論分析及數(shù)值計(jì)算等手段，深入研究了火災(zāi)高溫下軟黏土熱傳導(dǎo)特性和溫度場(chǎng)變化規(guī)律，分析了火災(zāi)高溫對(duì)軟黏土力學(xué)特性的影響規(guī)律，成功揭示并描述了火災(zāi)高溫導(dǎo)致的隧道襯砌結(jié)構(gòu)外部水土壓力的變化機(jī)理及規(guī)律。最后，在對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)管片、接頭火災(zāi)高溫力學(xué)特性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，基于給出的火災(zāi)高溫下軟土隧道結(jié)構(gòu)-土體體系的力學(xué)行為及安全性的分析計(jì)算方法，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)體系的火災(zāi)安全性及各關(guān)鍵因素的影響規(guī)律進(jìn)行了深入研究。課題研發(fā)的試驗(yàn)裝置與設(shè)備對(duì)今后開展軟黏土火災(zāi)高溫力學(xué)性能試驗(yàn)具有較好的借鑒價(jià)值。同時(shí)，課題研究成果也為解決處于軟黏土環(huán)境下的大量地鐵及越江跨海隧道襯砌結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全問(wèn)題提供了基礎(chǔ)。 2100433B

目前隧道襯砌防火側(cè)重于對(duì)結(jié)構(gòu)本身?yè)p傷與力學(xué)行為的研究，而忽視了火災(zāi)高溫引起襯砌外部水土壓力的變化帶來(lái)的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性問(wèn)題。事實(shí)說(shuō)明：火災(zāi)高溫下軟土隧道外側(cè)土體力學(xué)行為會(huì)發(fā)生顯著的變化。本研究擬針對(duì)軟黏土地層隧道，借助室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值計(jì)算等手段：首先，深入探討襯砌邊界約束條件的火災(zāi)高溫軟黏土熱傳導(dǎo)特性和溫度場(chǎng)變化規(guī)律、軟黏土力學(xué)特性以及襯砌所受水土壓力、彈性抗力的變化規(guī)律；其次，在上述研究成果的基礎(chǔ)上，建立火災(zāi)高溫作用下飽和區(qū)、非飽和區(qū)軟黏土力學(xué)特性的描述模型、綜合考慮火災(zāi)高溫影響區(qū)軟黏土力學(xué)特性變化及水汽化引起的附加荷載的隧道襯砌結(jié)構(gòu)水土壓力分布的理論與方法；最后，應(yīng)用荷載-結(jié)構(gòu)法，建立基于上述水土壓力分布理論及考慮土體彈性抗力變化的軟土隧道襯砌結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全評(píng)價(jià)方法，為解決處于軟黏土環(huán)境下的大量地鐵及越江跨海隧道襯砌結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全問(wèn)題提供相關(guān)計(jì)算理論與方法。

隧道結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全性是其安全性能研究的重要課題，而襯砌材料混凝土高溫力學(xué)性能的建立是進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)火災(zāi)安全分析的基礎(chǔ)。.本項(xiàng)目擬通過(guò)火災(zāi)高溫下隧道襯砌混凝土（自密實(shí)混凝土）的爆裂試驗(yàn)，探討隧道結(jié)構(gòu)混凝土的爆裂控制措施，并且結(jié)合混凝土微觀結(jié)構(gòu)的損傷演化過(guò)程，定量的評(píng)價(jià)隧道結(jié)構(gòu)混凝土的高溫爆裂機(jī)率，建立混凝土的高溫爆裂模型；進(jìn)而基于通過(guò)混凝土高溫變形試驗(yàn)得到的瞬態(tài)應(yīng)變、短期高溫徐變、應(yīng)力產(chǎn)生的即時(shí)應(yīng)變等高溫應(yīng)變，以及損傷力學(xué)理論和混凝土微觀結(jié)構(gòu)的演化模型，構(gòu)建能夠考慮高溫下混凝土微觀結(jié)構(gòu)演變的熱-力-化學(xué)耦合效應(yīng)的多尺度變形模型；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析和數(shù)值模擬，對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證。.項(xiàng)目研究旨在更為精細(xì)的描述隧道襯砌混凝土高溫爆裂及力學(xué)性能的損傷規(guī)律，為探明隧道結(jié)構(gòu)高溫行為的演化特征和分析混凝土結(jié)構(gòu)的高溫性能提供依據(jù)和基礎(chǔ)。